Desenvolvimento de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicação em revestimentos de base polimérica

Abstract

A energia é possivelmente um dos maiores desafios que a União Europeia terá de enfrentar nas próximas décadas, sendo necessário implementar estratégias para a utilização mais eficiente dos recursos energéticos nos edifícios, como por exemplo através da climatização inteligente dos edifícios (arrefecimento e aquecimento passivos) ou da conversão da energia solar em eletricidade. Neste trabalho é descrito o desenvolvimento de revestimentos poliméricos funcionalizados com óxidos metálicos e iões de terras raras, que potenciam a conversão da energia solar em eletricidade e a climatização eficiente dos edifícios através da sua integração em janelas inteligentes. Estes sistemas de concentração e conversão de energia solar, baseados em materiais luminescentes, são designados por LSC’s (Concentradores Solares Luminescentes). O estudo centrou-se na síntese de nanopartículas ocas de sílica pelo método de sol-gel, funcionalização destas com Eu3+ ou Nd3+:Yb3+ e posterior incorporação em filmes poliméricos, otimizados para aplicação em substratos de vidro. Ao longo do trabalho efetuou-se a caracterização morfológica, química e térmica dos materiais desenvolvidos, recorrendo às técnicas de SEM-EDS, STEM, DLS, XRD, FTIR, espetroscopia de UV-Vis, UV-Vis NIR e de fluorescência e TGA. A avaliação de desempenho dos protótipos de LSC’s construídos foi efetuada com base na determinação da eficiência de conversão energética, e na monitorização das propriedades de barreira térmica do revestimento polimérico aditivado com as sílicas. Obtiveram-se revestimentos transparentes (transmitância > 90% na região do visível do espetro solar), com um excelente efeito de barreira térmica (em alguns casos capazes de produzir um abaixamento térmico até 10 °C). No geral, desenvolveram-se com sucesso materiais funcionais, para aplicações em janelas inteligentes, nomeadamente revestimentos poliméricos de elevada transmitância, em substratos de vidro, com dupla funcionalidade: barreira térmica e concentração/conversão energética.

The energy used in European buildings plays a big part of the world’s energy consumption. Therefore, strategies for a more intelligent use of the energy resources, as smart climatization of the buildings (passive heating and cooling), need to be implemented. This work, describes the development of polymeric coatings, functionalized with metallic oxides and rare-earth ions, for the conversion of solar energy into electricity and smart climatization of buildings, through the integration of these materials in smart windows. These systems of concentration and conversion of solar energy, based in luminescent materials, are called LSC’s (Luminescent Solar Concentrators). Hollow silica nanospheres were synthesized by the sol-gel method and functionalized with Eu and the pair Nd3+:Yb3+, then they were incorporated into polymeric films and deposited in glass substrates. A morphological, chemical and thermal characterization was made, using various techniques, as SEM-EDS, STEM, DLS, XRD, FTIR, UV-Vis, UV-Vis NIR and fluorescence spectroscopy and TGA. LSC prototypes were built and characterized, to assess its thermal performance and its energy conversion efficiency, using a solar simulator. Experimental results show that functionalized hollow silica nanospheres, with 200 nm, were obtained. Transparent coatings, with an excellent thermal barrier effect (in some cases able to the reduce the temperature by 10 °C) were also obtained. The built prototypes showed good results of photon-to-current energy conversion efficiency. Overall, functional materials for application in smart windows, in particular high transmittance polymeric coatings in glass substrates, with dual functionality (thermal barrier and energy concentration/conversion) were successfully developed.